CN107947691A - 汽车太阳能充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车太阳能充电器，其特征在于，包括太阳能输入通道、发电机输入通道及MCU控制单元，太阳能光伏板及发电机在MCU控制单元的控制下分别经由太阳能输入通道及发电机输入通道为车载蓄电池充电。本发明提供的汽车太阳能充电器包含了太阳能输入和汽车发电机输入，可以完全利用两路输入对车载蓄电池进行充电。充电时利用三段式充电优化充电过程提高充电效率，同时支持多种电池类型选择，对不同类型的电池进行独立的充电过程设置。太阳能充电采用MPPT(最大功率点跟踪)技术，可以提高太阳能电池的转化效率。本发明的汽车太阳能充电器采用全桥同步升降压模式，最高可达到98.5％的转效率，全密封设计防护等级达到IP67，带有汽车智能发电机检测线，配合汽车智能发电机能降低汽车发动机燃油消耗。

Description

汽车太阳能充电器
技术领域
本发明涉及一种对汽车内所使用的蓄电池进行充电的充电器。
背景技术
目前，汽车所使用的蓄电池通常采用汽车的内燃机为其充电，其缺陷是：使用内燃机进行电能转换会消耗大量的能源，充电效率低下。而且传统的发电机充电不具备优化充电功能。
公开号为CN103618343B、公开日为2015年9月30日的发明专利申请，公开了一种电动汽车太阳能充电器，其包括自供电模块连接太阳能组件，所述太阳能组件将太阳能转换为电能之后发送到自供电模块；所述自供电模块分别连接升压恒流模块和功率跟踪模块，所述升压恒流模块连接蓄电池，所述升压恒流模块还连接功率跟踪模块；所述温度传感器、光电传感器连接功率跟踪模块，所述温度传感器用于感测外部温度并发送给所述功率跟踪模块，所述光电传感器用于感测外部光线并发送给所述功率跟踪模块，所述功率跟踪模块预设与所述温度、光线一一对应的充电电流初始值，通过查询给出与当前温度、光线对应充电电流基准值并发送给升压恒流模块。
上述专利申请仅针对的是电动汽车，且其仅利用太阳能为汽车的蓄电池充电，充电效率不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提高汽车所使用的蓄电池的充电效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种汽车太阳能充电器，其特征在于，包括太阳能输入通道、发电机输入通道及MCU控制单元，太阳能光伏板及发电机在MCU控制单元的控制下分别经由太阳能输入通道及发电机输双通道为车载蓄电池充电，其中：
太阳能输入通道包括用于连接太阳能光伏板的太阳能输入端及与太阳能输入端相连的太阳能输入电路，MCU控制单元经由太阳能输入电路开启或关闭太阳能输入通道；
发电机输入通道包括用于连接车载发电机的充电输出端的发电机输入端及与发电机输入端相连的发电机输入电路，MCU控制单元经由发电机输入电路开启或关闭发电机输入通道；
太阳能输入通道或发电机输入通道输出的电流定义为充电电流；
所述汽车太阳能充电器还包括同步升降压电路，MCU控制单元控制同步升降压电路将充电电流的电压升高或降低到符合蓄电池需要的充电电压，同时配合MCU控制单元调节充电电流的功率，从而形成蓄电池充电电流经由输出端输出；
当MCU控制单元检测到太阳能光伏板有电压输出时，开启太阳能输入通道对车载蓄电池充电；当MCU控制单元检测到车载发电机的充电输出端的电压大于预先设定的阈值一时，开启发电机输入通道，小于预先设定的阈值二时，关闭发电机输入通道，阈值一大于阈值二；当MCU控制单元同时检测到太阳能光伏板有电压输出且车载发电机的充电输出端的电压大于预先设定的阈值一时，开启太阳能输入通道对车载蓄电池充电，充电过程分为三个阶段：
第一阶段：大电流充电阶段
同步升降压电路配合MCU控制单元将充电电流的功率调节至最大，当MCU控制单元检测到蓄电池的电压上升到吸收电压时进入第二阶段；
第二阶段：吸收充电阶段
蓄电池充电电流的电压保持在设定值，当蓄电池充电电流的电流小于3.8A时进入第三阶段；
第三阶段：浮充阶段
蓄电池充电电流的电压保持在直到充电结束。
优选地，当通过所述太阳能输入通道对车载蓄电池充电时，所述MCU控制单元利用MPPT算法配合所述同步升降压电路控制所述充电电流的电流，使得所述太阳能保持在最大功率点上给蓄电池充电。
优选地，所述车载发电机为智能发电机，则所述汽车太阳能充电器还包括智能发电机控制电路，智能发电机控制电路用于捕捉汽车的启动信号，并将启动信号作为使能信号传输给所述MCU控制单元。
优选地，所述MCU控制单元由隔离电源电路提供工作电压。
优选地，还包括电池类型选择电路，电池类型选择电路为所述MCU控制单元提供一个开关信号，不同开关信号的组合对应不同的蓄电池类型，在所述MCU控制单元中为不同的蓄电池类型设定不同的充电电压，所述MCU控制单元根据不同的充电电压控制所述同步升降压电路将充电电流的电压升高或降低。
优选地，还包括用于显示充电状态和/或蓄电池类型的LED显示电路和/或远程LED显示电路，LED显示电路和/或远程LED显示电路与所述MCU控制单元相连。
优选地，还包括用于检测所述车载蓄电池外部温度的温度反馈电路，温度反馈电路将检测到的蓄电池温度反馈回所述MCU控制单元，所述MCU控制单元根据接收到的温度配合所述同步升降压电路调节充电电流的功率。
优选地，还包括连接于所述输出端与所述车载蓄电池之间的输出反接保护电路、连接于所述太阳能输入通道与所述太阳能光伏板之间的太阳能输入反接保护电路、连接于所述发电机输入通道与所述车载发电机之间的发电机输入反接保护电路，由所述MCU控制单元接收输出反接保护电路、太阳能输入反接保护电路、发电机输入反接保护电路输出的信号。
优选地，所述同步升降压电路采用全桥同步升降压模式。
本发明提供的汽车太阳能充电器包含了太阳能输入和汽车发电机输入，可以完全利用两路输入对车载蓄电池进行充电。充电时利用三段式充电优化充电过程提高充电效率，同时支持多种电池类型选择，对不同类型的电池进行独立的充电过程设置。太阳能充电采用MPPT(最大功率点跟踪)技术，可以提高太阳能电池的转化效率。本发明的汽车太阳能充电器采用全桥同步升降压模式，最高可达到98.5％的转效率，全密封设计防护等级达到IP67，带有汽车智能发电机检测线，配合汽车智能发电机能降低汽车发动机燃油消耗。
本发明具有如下优点：
1)两个输入通道，即车载发电机或者太阳能光伏板两个输入通道，可单独输入也可以同时输入，太阳能优先，MPPT最大功率追踪；
2)智能发电机功能，节省油耗；
3)输入输出完全隔离；
4)同步升降压转换效率最高98.5％；
5)3段式充电，4种电池类型选择，LED显示功能；
6)智能自动开启和自动关闭；
7)多重保护功能：输入输出防反接，温度调节，过热保护。
附图说明
图1为实施例中的EMC滤波电路的电路图；
图2为实施例中的太阳能输入电路的电路图；
图3为实施例中的发电机输入电路的电路图；
图4为实施例中的MCU控制电路的电路图；
图5为实施例中的系统隔离电源电路的电路图；
图6为实施例中的智能发电机控制电路的电路图；
图7为实施例中的电池类型选择电路的电路图；
图8为实施例中的LED显示电路的电路图；
图9为实施例中的外接LED电路的电路图；
图10为实施例中的同步升降压电路的电路图；
图11为实施例中的同步升降压电路的电路图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，下面结合具体实施例，并附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明。
本发明提供的一种汽车太阳能充电器利用太阳能电池输入和汽车发电机输入对电池进行充电。本发明包含散热外壳，在壳体内部设有核心PCB组件，核心PCB组件通过导热脚密封在壳体内部，外壳右侧为显示面板，左侧为引出线面板。本发明的散热外壳采用全密封设计，较其他类型产品有更优秀的防护等级，设计防护等级达到IP67，同时利用导热硅胶将整个PCB组件密封在散热外壳内部，达到导热和密封功能。PCB组件的电路具体包括：EMC滤波电路、太阳能输入电路、发电机输入电路、MCU控制电路、同步升降压电路、系统隔离电源电路、电池类型选择电路、外接LED电路、智能发电机控制电路、LED显示电路、温度反馈电路、反接保护电路。
EMC滤波电路的具体电路图如图1所示，用于吸收开关频率产生的高次谐波，降低电磁波干扰，使本发明符合EMC要求。
本发明允许两路输入同时进行充电，将两路输入定义为太阳能输入通道及发电机输入通道，太阳能光伏板经由太阳能输入通道为车载蓄电池充电，车载发电机经由发电机输入通道为车载蓄电池充电。利用MCU控制电路计算自动判断开启或关闭两个输入通道，在输入电压大于、小于或等于输出电压时稳定输出。
太阳能输入电路的作用是开启或关闭太阳能输入通道，具体电路如图2所示。
发电机输入电路的作用是开启或关闭发电机输入通道，具体电路如图3所示。
如图4所示，MCU控制电路包含一块微处理器，通过检查各个电路反馈信号由内部程序/软件计算并执行预设功能。本实施例中的微处理器采用“意法半导体公司”STM32F051C8T7MCU。
由系统隔离电源电路为MCU控制电路提供3.3V电源。系统隔离电源电路的具体电路图如图5所示。其中MB1、MB2为桥式整流器，将输入任意的正负极电压接入整定为固定的正负极电压；C40、C41为滤波电容；U7为低功耗稳压电源芯片；R59、R77为U7输出电压调节电阻；C42、C44为输出滤波电容；U12为隔离变压器驱动；T1为隔离变压器；D24、D25、C50、C51为整流滤波电路；U11为低功耗稳压电源芯片；C52、C54为U11输出滤波电容。
通过智能发电机控制电路，用于提供引擎的开启或关闭状态，即提供智能发电机检测信号，配合MCU控制电路可使本发明工作在智能发电机输入模式。智能发电机控制电路的电路如图6所示，R31、ZD3为稳压电路，D9为反向保护二极管，U4为光耦，R33为限流电阻，点火开关信号Ignition Switch通过U4转换为低压信号传送给MCU“Ignition Switch”端口。
智能发电机是指在汽车正常运行时降低汽车发电机励磁电流，减少发电机输出功率。当汽车加速或者制动时提高励磁电流增加输出功率，从而起到降低燃油消耗的目的。本发明支持智能发电机充电模式，通过检测汽车发电机电压来开启或关闭本发明。本发明开启后，智能发电机经由发电机输入通道为车载蓄电池充电。
电池类型选择电路，为MCU提供一个开关信号，不同开个信号的组合对应不同的车载蓄电池类型，在MCU控制电路中，为不同的车载蓄电池类型设定不同的充电电压及充电功率。本发明支持4种类型的车载蓄电池，分别为GEL/AGM/WET/CAL，选择对应的电池类型对目标电池进行充电可有效延长电池使用寿命。本实施例中，电池类型选择电路如图7所示，其中，R32为限流电阻，S1为复位开关，通过复位开关S1给MCU“BAT TYPE Set”(电池类型选择)端口传输一个开关脉冲信号。
表1电池类型选择表
LED显示电路用于显示本发明的工作状态。本实施例中，LED显示电路具体电路结构如图8所示，通过11个LED显示输入输出状态，充电状态和电池类型，其中：
Q111、Q112、R201、R202、R203为高边开关电路由MCU控制；
LED1A、R204、R213、R214、Q101为“Charging_Red_LED”(充电-红色-LED)控制电路。
LED1B、R205、R215、R216、Q102为“Charging_Green_LED”(充电-绿色-LED)控制电路。
LED2A、R206、R217、R218、Q103为“Solar_LED_R”(太阳能-LED-红)控制电路。
LED2B、R207、R219、R220、Q104为“Solar_LED_G”(太阳能-LED-绿)控制电路。
LED3A、R208、R221、R222、Q105为“Alternator_LED_R”(发电机-LED-红)控制电路。
LED3B、R240、R223、R224、Q106为“Alternator_LED_G”(发电机-LED-绿)控制电路。
LED5A、R209、R225、R226、Q107为“GEL_LED”(GEL电池-LED)控制电路。
LED6A、R210、R227、R228、Q108为“AMG_LED”(AGM电池-LED)控制电路。
LED7A、R211、R229、R230、Q109为“WET_LED”(WET电池-LED)控制电路。
LED8A、R212、R231、R232、Q110为“Calcium_LED”(CAL电池-LED)控制电路。
表2 LED显示状态表
外接LED电路，用以使得产品工作状态可以远程显示。本实施例中的外接LED电路的具体电路结构如图9所示，指示灯提示车载太阳能充电器的充电状态或者异常状态，其中：D14、D16为反向保护二极管，R48为限流电阻，Q9为开关管，ZD4为稳压管，R50为开关管基极限流电阻，R69、R301、Q10为开关管Q9控制电路。
同步升降压电路，利用200K开关频率在不同使用环境下，将输入电压升高或降低到符合蓄电池需要的充电电压，同时配合MCU电路调节输出功率，提供最高98.5％的转换效率。本实施例中，同步升降压电路通过BOOST和BUCK电路提供在输入大于、等于或小于输出电压时的稳定输出电压，同时反聩给MCU输入和输出电压电流信号，通过MCU计算后执行输出电压电流变化的电路。
本实施例中的同步升降压电路具有最高98.5的转换效率，采用LTC3790升降压电流，并配合低内阻MOSFET在200K的开关频率下同时实现升压，降压转换。同时，本实施例中的同步升降压电路拥有全隔离功能，能保证输入输出的完全隔离；通过升降压电路中包含4路MOSFET(M1、M2、M3、M4)成“H桥”方式排列，将输入和输出完全隔离。
温度反馈电路，用于监测被充电车载蓄电池的外部温度以调节输出功率。本发明通过远程温度传感器检测被充电电池外壳温度变化，通过MCU计算调节输出电压确保电池在高温状态下不被过度充电。温度反馈电路的具体电路图如图11所示，D32、D22、D23、D34、D35为保护二极管，VR1为低功耗稳压芯片，C55、C56为滤波电容，R54、R57、R58为分压限流电阻，R56为NTC热敏电阻，C114为滤波电容。
反接保护电路，当产品外接线连接错误时保护产品并通过LED显示电路提示异常故障，包含输出反接保护，太阳能输入反接保护，发电机输入反接保护；在反接接入时给MCU提供反接报警信号。
当本发明提供的太阳能充电器检测到太阳能电池输入后会开启太阳能输入电路，利用太阳能输入电能给目标电池充电。利用太阳能电池充电时会使用MPPT功能通过特殊的算法控制输出电流使得太阳能电池保持在最大功率点上，只要有太阳能输入时都会优先使用太阳能输入。太阳能输入时利用MPPT算法提高太阳能充电效率；在充电过程中分三个阶段对电池进行充电，在任何充电阶段太阳能充电器都能提供最大功率。
当太阳能充电器检测到发电机输入时，汽车太阳能充电器会通过两个模式启动充电：
自动模式：当发电机输入电压大于13.5V时开启充电，电压低于12.8V时关闭充电。
智能发电机模式：当发电机输入电压大于12.2V时开启充电，低于11.5V时关闭充电。
充电过程分三个阶段：
第一阶段：大电流充电，汽车太阳能充电器使用最大功率对电池进行充电，当电池电压上升到吸收电压时进入下阶段。
第二阶段：吸收充电，汽车太阳能充电器保持输出电压在设定值，当充电电流小于3.8A时进入下阶段。
第三阶段：浮充，汽车太阳能充电器保持输出电压在13.7V直到充电结束。
在充电过程中当汽车太阳能充电器温度高于60摄氏度时，会减小输出电流降低汽车太阳能充电器自身的温度；同时监控充电电池温度，当电池温度高于25摄氏度时会降低输出电压降低电池温度。

Claims (9)

1.一种汽车太阳能充电器，其特征在于，包括太阳能输入通道、发电机输入通道及MCU控制单元，太阳能光伏板及发电机在MCU控制单元的控制下分别经由太阳能输入通道及发电机输入通道为车载蓄电池充电，其中：
太阳能输入通道包括用于连接太阳能光伏板的太阳能输入端及与太阳能输入端相连的太阳能输入电路，MCU控制单元经由太阳能输入电路开启或关闭太阳能输入通道；
发电机输入通道包括用于连接车载发电机的充电输出端的发电机输入端及与发电机输入端相连的发电机输入电路，MCU控制单元经由发电机输入电路开启或关闭发电机输入通道；
太阳能输入通道或发电机输入通道输出的电流定义为充电电流；
所述汽车太阳能充电器还包括同步升降压电路，MCU控制单元控制同步升降压电路将充电电流的电压升高或降低到符合蓄电池需要的充电电压，同时配合MCU控制单元调节充电电流的功率，从而形成蓄电池充电电流经由输出端输出；
当MCU控制单元检测到太阳能光伏板有电压输出时，开启太阳能输入通道对车载蓄电池充电；当MCU控制单元检测到车载发电机的充电输出端的电压大于预先设定的阈值一时，开启发电机输入通道，小于预先设定的阈值二时，关闭发电机输入通道，阈值一大于阈值二；当MCU控制单元同时检测到太阳能光伏板有电压输出且车载发电机的充电输出端的电压大于预先设定的阈值一时，开启太阳能输入通道对车载蓄电池充电，充电过程分为三个阶段：
第一阶段：大电流充电阶段
同步升降压电路配合MCU控制单元将充电电流的功率调节至最大，当MCU控制单元检测到蓄电池的电压上升到吸收电压时进入第二阶段；
第二阶段：吸收充电阶段
蓄电池充电电流的电压保持在设定值，当蓄电池充电电流的电流小于3.8A时进入第三阶段；
第三阶段：浮充阶段
蓄电池充电电流的电压保持在直到充电结束。
2.如权利要求1所述的一种汽车太阳能充电器，其特征在于，当通过所述太阳能输入通道对车载蓄电池充电时，所述MCU控制单元利用MPPT算法配合所述同步升降压电路控制所述充电电流的电流，使得所述车载蓄电池保持在最大功率点上。
3.如权利要求1所述的一种汽车太阳能充电器，其特征在于，所述车载发电机为智能发电机，则所述汽车太阳能充电器还包括智能发电机控制电路，智能发电机控制电路用于捕捉汽车的启动信号，并将启动信号作为使能信号传输给所述MCU控制单元。
4.如权利要求1所述的一种汽车太阳能充电器，其特征在于，所述MCU控制单元由隔离电源电路提供工作电压。
5.如权利要求1所述的一种汽车太阳能充电器，其特征在于，还包括电池类型选择电路，电池类型选择电路为所述MCU控制单元提供一个开关信号，不同开关信号的组合对应不同的蓄电池类型，在所述MCU控制单元中为不同的蓄电池类型设定不同的充电电压，所述MCU控制单元根据不同的充电电压控制所述同步升降压电路将充电电流的电压升高或降低。
6.如权利要求1所述的一种汽车太阳能充电器，其特征在于，还包括用于显示充电状态和/或蓄电池类型的LED显示电路和/或远程LED显示电路，LED显示电路和/或远程LED显示电路与所述MCU控制单元相连。
7.如权利要求1所述的一种汽车太阳能充电器，其特征在于，还包括用于检测所述车载蓄电池外部温度的温度反馈电路，温度反馈电路将检测到的蓄电池温度反馈回所述MCU控制单元，所述MCU控制单元根据接收到的温度配合所述同步升降压电路调节充电电流的功率。
8.如权利要求1所述的一种汽车太阳能充电器，其特征在于，还包括连接于所述输出端与所述车载蓄电池之间的输出反接保护电路、连接于所述太阳能输入通道与所述太阳能光伏板之间的太阳能输入反接保护电路、连接于所述发电机输入通道与所述车载发电机之间的发电机输入反接保护电路，由所述MCU控制单元接收输出反接保护电路、太阳能输入反接保护电路、发电机输入反接保护电路输出的信号。
9.如权利要求1所述的一种汽车太阳能充电器，其特征在于，所述同步升降压电路采用全桥同步升降压模式。
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